（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽 110015）

自鎖螺母是利用自身結(jié)構(gòu)塑性變形在螺紋副間產(chǎn)生摩擦力矩來防止螺紋松動，雖有重復(fù)拆裝方便的優(yōu)點(diǎn)，但其自鎖力矩也會在重復(fù)使用過程中逐步衰減，特別是在航空發(fā)動機(jī)振動、沖擊、載荷變動以及溫差過大的苛刻工況下[1]。實(shí)際使用中曾出現(xiàn)過某型渦扇發(fā)動機(jī)一次試車后連續(xù)5臺發(fā)動機(jī)鼓筒前連接螺母自鎖力矩衰減較大的情況，且已小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定力矩下限，而相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求其在高溫環(huán)境下使用5次后鎖緊力矩應(yīng)能滿足要求，故自鎖螺母因鎖緊力矩衰減過快造成重復(fù)使用性差、使用壽命短是目前亟待解決的問題。

研究表明，影響自鎖螺母鎖緊力矩衰減速度的因素有很多，除不可改變的惡劣工況因素外，螺母的選材及熱處理、鎖緊結(jié)構(gòu)尺寸、收口方式及收口量等都是主要影響因素[2-3]。但現(xiàn)有研究只是通過常溫循環(huán)試驗(yàn)分析單一因素對螺母鎖緊力矩衰減的影響規(guī)律，且沒有對比不同規(guī)格螺母的差異[4-5]。本文將通過分組試驗(yàn)的方法，對比分析在常溫和高溫環(huán)境下，GH738螺母收口方式、鎖緊段壁厚、收口量大小3種因素組合作用時對螺母鎖緊力矩衰減的影響規(guī)律，進(jìn)而探討對于不同規(guī)格的螺母延長其使用壽命的收口工藝優(yōu)化措施。

1 試驗(yàn)對象分析

我國航空發(fā)動機(jī)上主要使用的是壓扁收口自鎖螺母，其是在特定的鎖緊部位進(jìn)行收壓變形，使鎖緊部位的螺紋孔由圓形變?yōu)榉菆A形[6]。壓扁方式有橢圓收口、三點(diǎn)收口和多點(diǎn)收口。橢圓收口方式工藝簡單，是目前國產(chǎn)自鎖螺母最常用的壓扁方式，理論上其比三點(diǎn)收口螺母鎖緊區(qū)作用面積小，在達(dá)到相同鎖緊力矩時所需變形量更大，鎖緊性能不如三點(diǎn)收口穩(wěn)定，但二者對鎖緊力矩衰減速度的影響還需進(jìn)行對比試驗(yàn)分析。

自鎖螺母的鎖緊性能與螺母材料的彈性有很大關(guān)系[7]，低強(qiáng)度螺母在擰入螺栓時容易使其非圓收口部位產(chǎn)生塑性變形，難以保證彈性鎖緊的性能要求，理論上加大螺母鎖緊段的壁厚可以提高其鎖緊性能穩(wěn)定性。

自鎖螺母收口處收口量大小對其擰出力矩的平均值也有很大影響[8]，理論上收口量越大擰出力矩平均值就越大，尤其是前幾次擰出力矩增大明顯，但過大的收口量時可能導(dǎo)致首次擰出力矩超出標(biāo)準(zhǔn)上限，且其對鎖緊力矩的衰減速度的影響尚不明確，需要通過試驗(yàn)進(jìn)一步分析。

2 試驗(yàn)及方法

為對比分析影響因素變化時不同規(guī)格螺母的表現(xiàn)差異，選取MJ6和MJ8 兩種規(guī)格的螺母為試驗(yàn)對象，材料均為航空發(fā)動機(jī)緊固件常用的進(jìn)口材料Waspaloy，對應(yīng)國內(nèi)材料牌號為GH738，試驗(yàn)設(shè)備為國產(chǎn)扭力機(jī)，試驗(yàn)件安裝如圖1所示。試驗(yàn)項(xiàng)目為常溫15次循環(huán)試驗(yàn)和高溫5次加載試驗(yàn)，每項(xiàng)試驗(yàn)的試驗(yàn)件均為8件，技術(shù)要求和試驗(yàn)方法分別按HB7686—2001[9]和HB7687—2001[10]。

為分析3種因素組合作用時對螺母鎖緊力矩衰減的影響規(guī)律，采取依次疊加影響因素的思路設(shè)計試驗(yàn)分組并加工試驗(yàn)件，試驗(yàn)分組及對應(yīng)試驗(yàn)件見表1。

3 結(jié)果與討論

3.1 收口方式對比試驗(yàn)

將各組試驗(yàn)件的擰出力矩結(jié)果取平均值（后文同），繪制成圖2和圖3。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，在常溫循環(huán)試驗(yàn)后，采用三點(diǎn)收口（B組）的兩種規(guī)格的螺母各次擰出力矩均大于采用兩點(diǎn)收口（A組）的螺母，如圖2所示。

如圖3所示，在高溫加載試驗(yàn)后：

（1）MJ6螺母5次擰出力矩值都大于采用兩點(diǎn)收口的螺母，其鎖緊力矩衰減程度也小于兩點(diǎn)收口的螺母（B組衰減程度為52.7%，A組衰減程度為55.6%，圖3（a））。

（2）MJ8螺母5次擰出力矩平均值與采用兩點(diǎn)收口的螺母相差很小，但其鎖緊力矩衰減程度小于兩點(diǎn)收口的螺母（B組衰減程度為39.2%，A組衰減程度為43.2%，圖3（b））。

3.2 鎖緊段壁厚對比試驗(yàn)

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，在同樣采用三點(diǎn)收口方式的情況下，隨著收口段壁厚的增加，在常溫循環(huán)試驗(yàn)后，兩種規(guī)格螺母各次擰出力矩值均逐漸增大，如圖4所示。

如圖5所示，高溫加載試驗(yàn)后，MJ6和MJ8螺母鎖緊力矩表現(xiàn)出不同的衰減規(guī)律：

圖1 試件安裝圖Fig.1 Installation diagram of testing pieces

表1 試驗(yàn)分組及對應(yīng)試驗(yàn)件Table1 Test groups and test pieces

圖2 不同收口方式螺母常溫循環(huán)對比試驗(yàn)Fig.2 Torque comparison between two-point and three-point deformation nuts at room temperature

圖3 不同收口方式螺母高溫加載對比試驗(yàn)Fig.3 Torque comparison between two-point and three-point deformation nuts at high temperature

圖4 不同鎖緊段壁厚螺母常溫循環(huán)對比試驗(yàn)Fig.4 Torque comparison of different thickness of lock area at room temperature

（1）MJ6螺母隨著壁厚的增加，首次擰出力矩明顯增大，但其衰減速度同樣增大明顯，最終第5次擰出力矩相差不大。外圓尺寸由小到大螺母鎖緊力矩衰減程度依次為52.7%、64%、68.2%、74.7%（圖5（a））。

（2）MJ8螺母隨著壁厚的增加，B、C、E 3組試驗(yàn)5次擰出力矩都依次增大，且衰減速度依次減小。D組試驗(yàn)前兩次擰出力矩大于E組數(shù)據(jù)，第3次擰出后力矩下落到E組和C組之間，總體衰減速度較快。外圓尺寸由小到大螺母鎖緊力矩衰減程度依次為39.3%、30%、50%、17.9%（圖5（b））。

由上述分析可知，高溫加載試驗(yàn)后MJ6螺母隨著壁厚的增加，衰減速度逐漸增大，而MJ8螺母衰減速度總體上逐漸減小。

分析現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，三點(diǎn)收口工藝是采用3個壓頭同時對螺母收口段外圓進(jìn)行收壓，由于MJ6螺母相對MJ8螺母外徑較小，各受壓點(diǎn)之間距離較近，收口段受壓變形時各受壓點(diǎn)之間的相互影響較大，加之收口段各處硬度、各壓頭的收口量都是有細(xì)微差異的，導(dǎo)致螺母收口段3處變形不完全一致，且這種情況在收口段加厚時由于變形部位金屬量增加會更加明顯，最終導(dǎo)致MJ6螺母在收口段壁厚對比試驗(yàn)中表現(xiàn)出的衰減規(guī)律。

3.3 收口量大小對比試驗(yàn)

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，在采用相同收口方式和收口段壁厚的情況下，隨著收口量的減小，常溫循環(huán)試驗(yàn)后，兩種規(guī)格螺母各次擰出力矩值均逐漸減小，如圖6所示。

圖5 不同鎖緊段壁厚螺母高溫加載對比試驗(yàn)Fig.5 Torque comparison of different thickness of lock area at high temperature

圖6 不同收口量大小螺母常溫循環(huán)對比試驗(yàn)Fig.6 Torque comparison of different amount of deformation at room temperature

如圖7所示，高溫加載試驗(yàn)后，隨著收口量的減?。?/p>

（1）MJ6螺母各次擰出力矩依次減小，但其總的衰減幅度相差不大，B、F、G組依次為52.5%、47.17%、56.16%（圖7（a））。

（2）MJ8螺母F組各次擰出力矩均大于G組，E組第二次力矩小于F組和G組，但第4次和5次力矩大于F組和G組。各組力矩衰減幅度逐漸增大，E、F、G組依次為17.9%、35.8%、37.4%（圖7（b））。

4 結(jié)論

通過分析對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出分組試驗(yàn)結(jié)論如下：

圖7 不同收口量大小螺母高溫加載對比試驗(yàn)Fig.7 Torque comparison of different amount of deformation at high temperature

（1）常溫循環(huán)試驗(yàn)時：擰出力矩的衰減主要集中在首次擰入擰出，第2次至第15次衰減相對不大。

（2）高溫加載試驗(yàn)時：由于試驗(yàn)件本身內(nèi)應(yīng)力釋放的影響，各分組中前兩次擰出力矩衰減幅度相差較大，后3次趨于一致。

（3）兩種規(guī)格的GH738螺母采用三點(diǎn)收口方式、增大收口段壁厚、增大收口量總體上均可以提高螺母的擰出力矩值，MJ8螺母擰出力矩衰減程度由43.2%（A組）下降到17.9%（E組）。

對于規(guī)格MJ8 及以上的GH738螺母，推薦采用三點(diǎn)收口工藝，并增大其收口段外圓尺寸，同時適當(dāng)加大收口量大小，可以在降低其鎖緊力矩衰減速度的同時提高平均鎖緊力矩，但應(yīng)注意收口量不宜過大，防止最大擰入力矩超出標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)力集中過大造成螺母收口段損壞，收口量的控制則需反復(fù)工藝試驗(yàn)來摸索。

對于規(guī)格MJ6 及以下的GH738螺母，由于其規(guī)格較小，收口段受壓變形時各受壓點(diǎn)之間的相互影響較大，采用三點(diǎn)收口工藝時螺母鎖緊性能衰減速度對鎖緊段壁厚變化敏感，表現(xiàn)不穩(wěn)定，故建議采用兩點(diǎn)收口工藝。